基于dSPACE的双绕组感应发电机实时控制系统研究

1 引言
    新型双绕组感应发电机定子嵌有两套极数相同的绕组，一套为功率绕组，输出端接励磁电容、整流器负载：另一套为控制绕组，接励磁变换器，可为发电系统连续调节励磁，保持功率绕组输出电压不变。双绕组感应发电机系统的数学仿真包括发电机、功率半导体、控制器、测量装置等多个数学模型。连续系统的数学仿真保证积分误差处于规定范围内，常采用动态调节仿真步长的方法提高仿真速度。在该发电系统的实时控制中，控制程序通常运行在DSP等嵌入式器件上，在固定的时钟周期内完成控制程序,并对执行元件-功率半导体发出控制信号,这样就存在诸如中断延时、执行时间、硬件接口、测量误差等瓶颈问题。解决上述问题的方法是将双绕组感应发电机、功率半导体、传感器等接入仿真回路，仿真系统按照实际时间工作，即可满足实时性要求。这种半实物仿真形式也称为快速控制原型。
    本文提出一种基于dSPACE单板系统DS1104试验平台的离散事件励磁变换器系统与连续时间双绕组发电机系统解耦的实时仿真方法，建立相应的试验模型,并对一台双绕组感应发电机系统进行试验研究。


2 励磁系统的控制策略
    当双绕组感应发电机转速或负载发生变化时，应保持输出电压恒定，需要调节电机的励磁无功，同时调节控制绕组侧励磁变换器直流侧电容的有功功率。本文采用控制绕组定子磁场定向控制策略，双绕组发电系统励磁控制原理图如图1所示。



    整个系统控制分为两个闭环，其中将功率绕组整流桥输出端检测的输出电压Upd与所给参考电压Updref相比较得到误差信号，经PI调节器控制后得到参考无功电流分量给定值i*sd，来补偿控制电机所需励磁无功;根据控制绕组励磁变换器直流侧电容的电压检测值Ucd与所给参考电压给定值Ucdref相比较所得的误差信号，经PI调节器控制后乘以系数-1可得到参考有功电流分量给定值i*sq，来补偿控制电容Cc所需有功功率，其中系数-1表示有功是从电机流向励磁变换器。


3 实时系统硬件设计
    dSPACE实时仿真系统是基于Matlab／Simulink的控制系统开发及测试平台，与Matlab／Simulink完全无缝连接。本文采用的单板系统DS1104是由主处理器、辅助DSP、中断控制器、储存器、计时器以及主机接口等部分组成。DS1104控制器板使用Pow-
erPC处理器进行浮点运算,其主频为250 MHz,运算能力强。DS1104控制器板还集成了TMS320F240DSP为核心的I／O子系统，满足特殊的I／O要求。
    dSPACE软件系统由算法开发模块、实时运行模块以及实时测试监控模块3部分组成。基于dSPACE的双绕组发电机控制系统开发包括：
    (1)LAB／Simulink模型建立及离线仿真。利用Matlab／Simulink建立双绕组感应发电机仿真对象的数学模型，设计控制方案，并对系统离线仿真。
    (2)I／O的接入。Matlab／Simulink中保留需要下载至SPACE的模块，利用硬件接口关系代替原逻辑连接关系，配置I／O，设置软硬件中断优先级。
    (3)利用RTW和dSPACE提供的工具自动生成代码并下载，将模型转换为实时仿真机可运行的程序。
    (4)dSPACE综合实验和调试。利用ControlDesk获取实时仿真数据。
    功能强大的实时代码能实现软件RTI与界面友好的试验软件ControlD-esk，可快速建立双绕组感应发电机实时控制系统平台。系统硬件连接原理图如图2所示。硬件电路包括由励磁变换器、发电机、整流型负载组成的主回路,而以DS1104为核心的控制回路包含定子双绕组电压、电流检测，直流母线电压的检测电路和保护电路等。



    本系统设计含有10路A／D采样电路,该A／D采样电路用于采样控制侧母线电流电压、控制侧两相电流(三相中只有两相电流是独立的)、功率侧两相电流电压以及功率侧母线电流电压等。选择其中所需的采样通过同轴电缆分别与DS1104的8个ADC单元相连，主要包括：控制侧电流检测、功率侧电流检测、控制侧电压检测、功率侧电压检测。
    另外，采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)综合处理故障信号。本系统设计含有16个保护信号输入，经过“相与”后产生一个FAULT信号输入至DS1104控制器板的主处理器，主处理器产生硬件中断信号，使程序在Matlab软件中停止运行，同时，还输出一个BRAKE信号在控制平台硬件上直接关闭PWM信号，实现实验平台的双重保护。这16个保护信号经过处理后输出14个低电平有效的显示信号，使对应的LED发光报警。
    该控制方案在一台由三相感应电动机自行改制的1 500 rpm,900 W的小样机全数字控制平台上进行验证,设计PI可调的实时仿真界面。控制器系统周期为80μs，数字滞环的宽为0．5 A。


4 试验研究
4．1 系统自励建压
    采用105μF的自励电容自励建压，当功率侧直流电压达到120 V时即转入控制绕组磁场定向矢量控制，在额定转速空载下的自励建压试验波形如图3所示。



图3额定转速空载下的自励建压试验波形图


    由于整流桥直流输出侧采用较大的滤波电容，图3所示的功率侧直流电压在建压稳定后始终是平直光滑的，几乎没有较大波动。
4．2 励磁电容C=105μF额定负载时的变速过程
    系统带额定负载时，转速从1 500 rpm快速增加至2 000 rpm,此过程采用控制绕组的电压定向控制策略,功率侧直流电压上升至9 V，约为5．6％，如图4所示。



    额定负载时变速的控制绕组电压电流的波形如图5所示。额定负载运行时，控制绕组线电流滞后于线电压约120°(相电流滞后于相电压约90°)，由于电压电流参考方向是按照电动机惯例，此时控制绕组励磁变换器具有电容作用，向发电机提供所需无功,满载运行时，由于去磁效应，励磁电容不能提供发电机所需的无功，此时需要控制绕组补偿，且随着转速的升高，发电机所需无功下降，控制绕组的电流越来越小，符合电机转速升高弱磁原理。



5 结束语
    本文采用dSPACE单板系统DS1104试验平台的离散事件逆变器系统与连续时间发电机系统解耦的实时仿真方法，将双绕组感
应发电机-逆变器-传感器取代数学模型，直接置入仿真回路，进行半实物仿真研究，内容包括：系统建压、额定负载的变速运行等，研究结果表明，将dSPACE应用于双绕组感应发电系统中,有利于缩短开发周期，降低开发成本，提高系统运行的可靠性。